Причины изменения климата Земли

Все мы слышали о ледниковых периодах, тех далёких временах, когда температура на поверхности нашей планеты сильно падала, и огромные территории покрывались льдом. Узнать о том, когда именно это происходило, учёным помогли сами ледники. Представьте себе, как огромная масса льда, словно гигантский бульдозер, сползает с гор и тащит за собой огромные, обкатанные валуны. Останавливаясь, ледник оставляет после себя груды этих камней — их называют конечными моренами. Именно по ним, как по своеобразным отметкам уровня, можно определить, как далеко продвигались ледники в прошлом.

Оказалось, что около 125 тысяч лет назад ледник, который начинался в Скандинавии, доходил аж до широты, на которой сегодня стоит Москва. А ещё раньше, около 250 тысяч лет назад, лёд спускался ещё южнее — до широты Ростова-на-Дону. Похожие следы древнего оледенения нашли и в Северной Америке. Эти исследования открыли удивительный факт: за всю историю Земли ледниковых периодов было несколько десятков. Они повторялись через разные промежутки времени — от 40 тысяч лет до 350—400 тысяч лет. Последний такой период был относительно недавно, по геологическим меркам, конечно, около 15—20 тысяч лет назад.

В эти холодные эпохи оледенение охватывало всю планету, а общая масса льда на Земле удваивалась. Вода, которая шла на образование этого льда, забиралась из Мирового океана, и его уровень понижался примерно на сто метров. А между этими ледниковыми периодами средняя температура Земли повышалась, становясь примерно такой, как сейчас. Если мы посмотрим на график изменения температуры за последние 400 тысяч лет, то увидим настоящие американские горки — постоянные взлёты и падения.

Но что же заставляет климат нашей планеты так сильно меняться? Мы уже говорили при изучении атмосферы Земли, что средняя температура планеты определяется балансом между получаемой от Солнца энергией и энергией, которая, не будучи излучённой обратно в космос, идёт на нагревание поверхности Земли. Та температура, которая установилась бы на поверхности, если бы Земля просто излучала полученное тепло, называется радиационной температурой. Она равна примерно 249 К или –24 °С.

Но мы-то с вами не живём при таких морозах, правда? Всё потому, что наша атмосфера работает как одеяло — она создаёт парниковый эффект, а океаны накапливают и переносят тепло. Благодаря этому реальная средняя температура на поверхности гораздо выше радиационной.

А что в этой системе может меняться со временем? Во-первых, альбедо Земли, то есть её способность отражать солнечные лучи. Чем больше на планете снега и льда, тем выше альбедо, ведь они прекрасно отражают свет. Но зависимость здесь не очень сильная: если альбедо изменится на 10 %, то радиационная температура изменится всего на 1 %, то есть примерно на 3 °C. Другой важный фактор — это среднее расстояние от Земли до Солнца. И оно не является постоянным из-за целого ряда астрономических явлений.

Давайте же рассмотрим эти астрономические факторы, которые влияют на то, сколько света и тепла получают разные полушария Земли в разное время года. Первый фактор — это прецессия земной оси. Представьте себе волчок, который, вращаясь, медленно описывает осью конус. То же самое происходит и с Землёй. Её ось медленно поворачивается с периодом около 25 700 лет. На это движение влияют притяжение Луны и Солнца.

Второй важный фактор — это изменение угла наклона земной оси к плоскости её орбиты. Этот угол тоже не постоянен, он колеблется из-за влияния других планет Солнечной системы с периодом около 41 000 лет.

И, наконец, третий фактор — это колебания эксцентриситета орбиты Земли, то есть степени её вытянутости. Период этих колебаний составляет около 93 000 лет. Каждый из этих факторов по-своему и с разной периодичностью влияет на освещённость нашей планеты.

Поскольку периоды у всех этих явлений разные, они могут как усиливать, так и ослаблять действие друг друга. В результате и возникают те самые долгие тёплые и холодные эпохи, когда температура сильно отклоняется от средней. Для серьёзного изменения климата, например, для похолодания на несколько градусов, достаточно, чтобы средняя освещённость изменилась всего на несколько процентов.

Давайте теперь на качественном уровне разберём, как эти механизмы работают. Мы уже говорили о прецессии — её вызывает в основном гравитационное взаимодействие Земли с Луной, а также, в меньшей степени, с Солнцем и другими планетами. По схожим причинам происходит и медленное, почти периодическое изменение угла наклона оси.

А почему же меняется эксцентриситет? Всё дело во влиянии на движение Земли Юпитера и Венеры, и, чуть в меньшей степени, других планет. Среднее значение эксцентриситета земной орбиты равно 0,028. Сейчас он даже меньше среднего — всего 0,017 — и продолжает понемногу уменьшаться. А вот через 25 тысяч лет наша орбита станет почти идеально круговой. Но так бывает не всегда — максимальное значение эксцентриситета может достигать 0,0658, что почти в четыре раза больше, чем сейчас.

Хотя эти числа кажутся очень маленькими, их влияние на климат огромно. Давайте посмотрим на формулу, которая показывает, как интегральная освещённость Земли Е зависит от эксцентриситета e:

Из этой формулы видно, что чем больше эксцентриситет, тем больше и общая освещённость Земли. Однако, поскольку эксцентриситет много меньше единицы, это влияние на первый взгляд кажется небольшим. Даже при максимальном эксцентриситете энергия, получаемая Землёй за год, увеличится всего на 0,2 %. А если мы захотим пересчитать это в изменение температуры, то эффект уменьшится ещё в 4 раза.

Но здесь есть важный нюанс. Чтобы правильно оценить влияние астрономических факторов, нужно учитывать не только общую энергию за год, но и то, как она распределяется между сезонами — между зимой и летом. Вместе с тем, что суша в Северном и Южном полушариях распределена очень неравномерно — в Северном её гораздо больше — это позволяет с хорошей точностью вычислять периоды похолоданий и потеплений.

Давайте представим, как освещённость меняется в течение года из-за эллиптичности орбиты. Расстояние от Земли до Солнца максимально в афелии, и оно зависит от эксцентриситета как R_max ~ (1 + e). Освещённость же обратно пропорциональна квадрату расстояния: E_аф ~ (1 + e)^–2 ≈ 1 – 2e.

В перигелии, наоборот, расстояние минимально: R_min ~ (1 – e), а освещённость максимальна: E_пер ~ (1 – e)^–2 ≈ 1 + 2e.

Таким образом, разница в освещённости между перигелием и афелием относится к средней как 4e. И вот что получается: при максимальном эксцентриситете эта разница может достигать 26 %! А это уже достаточно много.

Для наступления ледникового периода нужно стечение двух астрономических условий. Первое — эксцентриситет орбиты Земли должен быть большим. И второе — прохождение Землёй перигелия, самой близкой к Солнцу точки орбиты, должно совпадать с датой зимнего солнцестояния в Северном полушарии.

Давайте представим, что будет происходить с климатом в такой ситуации. В Северном полушарии лето, но Земля в это время находится на самой удалённой части орбиты и движется по ней с наименьшей скоростью. В результате лето в Северном полушарии становится прохладным и затяжным. Ледники тают медленнее, чем обычно. А это — прямое условие для начала оледенения. В это же время в Южном полушарии — долгая и холодная зима.

Проходит время, и в Северном полушарии наступает зима. Теперь Земля, наоборот, близка к Солнцу, но короткого и слабого зимнего солнца недостаточно, чтобы растопить накопившийся лёд и снег. В Южном полушарии в это время стоит жаркое лето, но оно лишь прогревает океан, ведь ледников там, кроме Антарктиды, почти нет. В итоге общая площадь ледников на Земле начинает резко возрастать.

Теперь представим, что прошло около 11 тысяч лет. Точка перигелия сместилась и теперь совпадает с точкой летнего солнцестояния. Эксцентриситет при этом остаётся большим. Теперь в Северном полушарии стоит долгая и морозная зима. Но она сменяется жарким летом, и ледники Северного полушария успевают значительно растаять. Теперь условия для роста ледников складываются в Южном полушарии, но там для них просто нет места — слишком мало суши. В итоге общая площадь ледников резко сокращается. Альбедо Земли падает, она поглощает больше солнечной энергии, и средняя температура планеты растёт. Так ледниковый период сменяется периодом потепления.

А с какой же периодичностью происходят эти колебания? Перигелий орбиты Земли перемещается относительно звёзд, делая полный оборот за Т_п = 100 тыс. лет. А точки солнцестояний движутся по орбите в обратную сторону с периодом прецессии T_прец = 26 тыс. лет. Период, с которым повторяется взаимное расположение перигелия и точки зимнего солнцестояния, можно найти по формуле

Это и есть примерный период наступления похолоданий на нашей планете.

А в какой фазе этого цикла находимся мы с вами? Сегодня Земля проходит перигелий 4 января, что очень близко к зимнему солнцестоянию 22 декабря. Совпадение этих точек произошло относительно недавно, 768 лет назад, а до этого — 22 тысячи лет назад. Тогда эксцентриситет был больше современного и равнялся 0,020. Тогда на Земле действительно бушевал ледниковый период, а ледник доходил до широты Москвы.

Вы спросите: почему же сейчас у нас нет ледникового периода, если перигелий почти совпал с зимним солнцестоянием? Всё дело в том, что в наше время эксцентриситет очень мал. Более того, он продолжает уменьшаться. В результате наша эпоха — один из самых тёплых периодов за последний миллион лет. Средняя температура Земли за последние сто лет повысилась примерно на 1 °С. А уровень Мирового океана вырос примерно на 10 см, но это уже связано с другими процессами.

Что же ждёт нашу планету в будущем? Следующее совпадение перигелия и точки зимнего солнцестояния произойдёт очень нескоро — почти через 20 тысяч лет. Всё это время солнечная освещённость Северного полушария будет понемногу уменьшаться. Но даже тот минимум, который тогда наступит, не приведёт к сильному оледенению, потому что в тот момент эксцентриситет будет близок к нулю, и орбита будет почти круговой.

Но важно понимать, что это — лишь природный «ходовой огонь» нашей планеты. Сегодня мы живём в уникальное время, когда на эти медленные природные циклы накладывается очень быстрое и мощное влияние человеческой деятельности. Сжигание ископаемого топлива, вырубка лесов, промышленные выбросы — всё это усиливает парниковый эффект и заставляет климат меняться с невиданной в прошлом скоростью.

Таким образом, изучая прошлое климата по ледниковым моренам и графикам температур, мы не только разгадываем загадки прошлого, но и получаем ключ к пониманию нашего настоящего и будущего. Природные циклы говорят нам, что в ближайшие десятки тысяч лет глобального оледенения можно не опасаться. Но это не отменяет ответственности за те быстрые и порой опасные изменения, которые происходят прямо сейчас по вине человека.

Климат Земли — это хрупкий баланс, и наша задача — научиться жить в гармонии с планетой.